双摇杆导向型针刺机的性能特点

鞠永农 柳红春 (仪征市海润纺织机械有限公司，仪征，211400)

针刺非织造技术具有加工工艺相对简单、设备组合灵活、产品类型多等优点，其产品被广泛应用在土工材料、汽车用纺织品、过滤材料、防护增强材料等领域。随着针刺技术和工艺的不断突破，针刺非织造产品将在更多领域得到应用和推广，促使国产针刺机向更高的技术层次发展。国产针刺机的技术借鉴了国外成熟机型的技术和经验，经过几十年的改进，国产机型的技术和制造都达到了一定的水平，但超高速针刺机的制造经验有待积累。双摇杆导向型针刺机具有独特的定位导向机构和主传动机构，是国产超高速针刺机的发展机型之一。

1 针刺机技术现状

1.1 国产设备现状

双摇杆导向型针刺机于上世纪80年代开始引入国内，多数为Dilo公司的针刺设备。双摇杆导向型针刺机与主轴箱式针刺机的不同之处在于主传动机构和针梁往复运动的导向机构。国产针刺机针梁的上下运动通常是采用推杆与导向套组合的滑套式结构，而双摇杆导向机构是采用双扇形圆弧齿和齿条的组合来限位导向的。国内设备制造商将这类机型推向市场是在2000年之后，尽管有的设备制造商将针梁的导向机构作了局部改变，但其原理仍然是双摇杆导向机构原理的衍生。目前动程大于30 mm的国产针刺机的最高针刺频率普遍在1 500刺/min以下，在实际的生产运行中高于1 000刺/min的生产线也极少。

由于双摇杆导向机构具有独特的技术优点，引起了国内针刺机使用商的极大关注。近年来，资金雄厚的设备使用商引进了不少更加先进的高速针刺机，多数是Dilo公司的产品，包括四板同位对刺机型和椭圆形运动针迹针刺机。目前国内有几家针刺机制造商也已陆续推出这类机型，以满足市场的需求，但受到材料、加工精度和制造工艺等因素的影响，制造针刺频率超过1 500刺/min的针刺机还需时日。

1.2 先进技术

现代针刺机的针刺频率不断提高，尤其国外先进针刺机的针刺频率已经超过3 000刺/min，其特点是参与针刺运动的零件采用了高强度的轻质材料，如碳素纤维复合材料［1］。另外，更加先进的椭圆形运动针迹针刺机得到迅速推广，其针刺频率超过2 000刺/min，近几年国内引进了不少这类机型。该类机型的主要特点是针板、横梁由另外一个偏心机构驱动，刺针不再单纯地作垂直方向运动，而是在纵向的平面内作垂直与水平方向的二维运动，其轨迹由一条直线转变成近似于椭圆形状。水平向的移动距离是为了对应纤网的步进量，在时空上能与其很好地配合，从而显著减少纤网的拉伸，实现针刺产品优质高产。该机型的针刺机构必须采用Dilo公司的开放式主传动机构，不能使用主轴箱式针刺机构，因为主轴箱式针刺机的推杆受到铜套的制约，针板只能作垂直方向运动。

2 双摇杆导向型针刺机的特点

双摇杆导向型针刺机的部件构成与其他类型的针刺机相同，也包括主传动、针刺、输入输出、托网、剥网、机架以及电气控制等。主传动机构和针梁导向机构是设备的技术核心，双摇杆导向型针刺机的技术特点就在于这部分具有独特的机构设计。

双摇杆导向型针刺机的主传动机构由分动箱带动两根平行的主轴，两根主轴的转动方向相反，且相位差为180°。主轴上的偏心轮驱动连杆、针梁和针板，作上下往复运动。独特之处在于由双曲柄、双连杆、偏心轮轴、配重轮和轴承座等组成一个独立的单元，整个机构的零件采用对称分布的结构形式，满足了力学要求和设备的需要。针梁导向机构同样采用了机构对称布置的双摇杆导向机构，即当针梁作高速往复运动时，摇杆上的扇形圆弧齿与固定在机架上的齿条啮合，完成定位导向。

双摇杆导向型针刺机相对于传统的推杆和滑动轴套机构的机型，其优点是传动平稳、振动较小、针刺频率较高，有利于宽幅机型的发展。主轴箱式针刺机采用连杆与滑动轴套结构，因滑动摩擦更容易出现磨损、发热和易漏油等问题，不利于提升针刺频率和提高生产率，且漏油会污染产品，影响针刺产品的质量。

3 双摇杆导向型针刺机独特的机构和系统

3.1 主传动机构

双摇杆导向型针刺机的传动机构是一种能够承受高速针刺机载荷且受力分布合理的新型双主轴传动机构，重新设计了轴承座、连杆、偏心轮和配重轮在主轴上的位置，通过分动箱将两根完全相同的偏心轮轴组合为一个整体，目的是使两个主轴以等速旋转且转向相反，以保持高速平衡。双摇杆导向型针刺机的主传动机构不同于主轴箱式的形式。由图1可以看出，由连杆、配重轮、轴承座和偏心轮轴构成一个独立的偏心单元，可以根据门幅要求来确定该单元的数量;连杆的两侧各有一个轴承座来支撑连杆，配重轮分布在轴承座的外侧，通过受力分析不难发现，该零件组合更加合理，更利于连杆的旋转稳定。整个主传动单元包裹在机架内，并将针刺机的传动区域与针刺区域隔离，两者通过固定在机架上的薄膜密封，使纤网尘屑不能穿过，旋转轴承上的润滑油脂也不会泄漏到针刺区域。

图1 主传动机构示意

机构在运动过程中，除受外载荷的作用外，还受到其各构件在运动状态下产生的惯性载荷。该惯性载荷随着机构转速的提高而迅速增加，在高速机构中其作用已经远远超过了外载荷。随机构运转而时刻变化的惯性载荷不仅会增大运动副内的摩擦，增加构件内应力和降低机构生产效率，而且还是导致机器出现振动、疲劳等现象的主要因素，其结果就会恶化机构的运动和动力性能。机构平衡实际上就是设法平衡构件的惯性载荷，以消除或降低惯性载荷造成的不利影响。新型双轴传动机构的双轴平行对转设计就是利用了对称式的平衡原理，很好地解决了水平方向的惯性载荷。

新型双轴传动机构的显著优点有:①模块化设计，可以减少或增加连杆的配置数量;②增加了主轴轴承座的数量，可以使主轴能承受更大的交变载荷;③连杆大头端的轴承采用承受力更大的滚柱轴承，有利于针刺频率的提升;④重新设计轴承座、连杆和配重轮的位置，便于提高和保障加工与安装的精度，也有利于针刺频率的进一步提升;⑤偏心单元小巧轻盈，经过长期使用后若必须更换，所需时间很短。

3.2 双摇杆导向机构

双摇杆导向机构是本机型的技术特色，该机构改变了原有导向套式的定位方法，用阻力较小的滚动摩擦副替代了滑动摩擦副，示于图2。双摇杆导向机构的显著特点体现在一个“双”字上，双摇杆导向机构的组成必须是双主轴、双连杆、双摇杆，而针梁(即针板数)可双可单。“双零件”巧妙地运用了对称式的平衡原理，使针刺机水平方向的力互相抵消，减少了设备的左右晃动。双主轴传动机构保证了下面的双摇杆定位导向的可行性和科学性［2］。双摇杆导向机构主要零件包括连杆、齿条座、橡胶套、摇杆、针梁、针梁座、针板、齿轮块和齿条块等。连杆、摇杆和针梁座等通过连杆销连接，齿轮块固定在摇杆末端，齿条块固定在齿条座上，齿条座固定在机架上，齿条块和齿轮块的润滑脂用橡胶套封闭;摇杆末端带有圆弧，且齿轮块的节度圆与摇杆末端圆弧的半径一致，都与连杆销的中心重合，而齿条座固定齿条块的两侧设计有平台，平台的高度与固定的齿条的节线重合，因而由齿轮块和齿条块，以及摇杆与齿条座组成了双定位形式。由于齿条座固定，所以摇杆和齿轮块就能沿齿条和齿条座平台作上下运动，保证了针板运动的稳定与可靠。图3是图2中A－A的剖视图，可以看到正是摇杆末端和齿条座的独特设计解决了机器轴向的定位问题。摇杆的左右两侧被齿条座的凹形结构卡主，也就是把摇杆另一端同在一销轴上的针梁座在轴向的位移限住，使固定针梁的针梁座只有上下的方向是自由的，这正是设备所需要的。

图2 双摇杆导向机构示意

图3 双摇杆导向机构A－A的剖视示意图

双摇杆导向机构的显著优点是:①橡胶套将扇形齿块和齿条块的润滑脂密封起来，杜绝了漏油现象;②当扇形齿块和齿条处相关摩擦片有磨损时，只需调整齿条座位置就能满足匹配要求;③两侧对称的滚动导向方式，减少了摩擦因数，使针刺机有进一步提升针刺频率的空间;④扇形齿块和齿条的连接为滚动接触，接触面积小，运动产生的噪音小;⑤相关零件结构简单，有利于应用新材料，以提高针刺频率。

3.3 风冷系统

由于主传动机构是开放式的，相关的轴承不能采用润滑油来润滑，否则会出现漏油问题，所以本机构采用润滑脂润滑的方式。主轴轴承和连杆大头的轴承转速高、受力大，因摩擦产生的热量也大，为了排除摩擦热量，确保相关零件和轴承在较高甚至最高的冲程频率下，温度保持在最低水平，设备在连杆大头水平方向的机架上配备了一对小风机，利用流动的冷空气带走相关零件和轴承的热量。

主传动机构的针刺机，当针刺频率小于1 000刺/min时，通常不需要配备风冷系统。风冷系统是为高速或超高速针刺机服务的，目的是保障相关轴承的正常工作状态。

3.4 润滑系统

润滑系统也是为主传动机构服务的。主轴的转速越高，轴承因摩擦产生的热量越大，给轴承润滑的润滑脂的量必须相对准确。为此，设备配置了一个中央自动润滑系统，负责给主轴轴承和偏心轮轴承供油，来控制润滑脂的加入量和相隔时间。该自动润滑系统设有保险备用供应，润滑周期和间隔时间都由一个可编程逻辑控制器控制，给油量和对个别轴承的分配及油箱的润滑油供应都以机电方式控制。

针刺机的其他轴承若非得到自动供油，就是受到终身润滑，所以根本不需要人工经常加油，只要不时检查其状况即可。

3.5 其他重要构件

(1)机架，尤其是固定主传动机构的机架，其设计必须保证机加工的精度满足设备的技术要求，这关系到双摇杆导向机构在安装时的基准，直接影响到设备的运行频率。针刺机的机架一般由钢板焊接而成，必须作去除焊接应力的工艺处理。机架属于大型焊接件，在机加工时需要摸索，不断积累经验，将设计和机加工的需要统一起来，只有满足设计要求才能使机架能够达到其相应的载荷要求。此外，针刺机构是针刺机中惯性较大、耗能较多的部分，机构运动产生的周期性惯性力和惯性力矩通过轴承作用到机架上，会引起针刺机的振动。针刺机的机架体积相对较大，加工需要大型机床，精度不好控制，所以要求机架的设计在保障设备承载力的前提下，整体结构要简单，易于加工，便于零部件的安装。

(2)针梁，通常由钢质结构件制成，质量比较大，运动时会产生很大的惯性，从而严重影响针刺机构的平稳性和高速性能。目前有些针梁已由高强度、抗弯和抗扭性能较好的轻合金材料制成，为了满足针刺机高速运转的要求，有的甚至还选用高强度、轻质的碳纤维复合增强材料来制作针梁。针梁的轻量化是其未来的发展方向。

4 结语

当前我国针刺行业期望使用高效、操作连续性好的技术先进的针刺机，也要求设备可靠耐用、操作和维护简单方便。国产针刺机经过近30年的发展，制造技术达到了一定的水平，但超高速机型的技术发展缓慢，其中主传动轴承的质量、关键零件的材料和加工精度、安装工艺等都是制约针刺机性能和质量的重要因素。随着国产针刺机的出口和先进针刺机的引进，相互间的技术交流为国产超高速针刺机积累了技术和经验。机型的发展可以引进国外的先进技术，如同位对刺机、椭圆轨迹针刺机等，双摇杆导向型针刺机的主传动机构和针刺机构正是椭圆轨迹针刺机所需要的机构。因此，双摇杆导向型针刺机会成为国产针刺设备发展和转型的亮点。

［1］叶奕梁译.针刺非织造生产东山再起［J］.非织造布，2011(6):39-40.

［2］机械设计手册联合编写组.机械设计手册(中册)［M］.北京:化学工业出版社，1987:35.